基于Voronoi图的3D打印轻量化结构设计及其应用研究.doc

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1、基于Voronoi图的3D打印轻量化结构设计及其应用研究轻量化是制造业领域的一个重要研究方向,同时也是设计者不断追求的目标,目前实现轻量化的主要途径有两种:一是使用轻质材料,二是使用轻量化结构,本文主要针对后者进行了研究。而轻量化结构设计又分为两类:一是通过零件的约束及受力情况得出较好的尺寸、拓扑结构,优化之前无法得知其结果是怎么样,例如拓扑优化;二是将零件中需要优化的部分替换成轻量化的结构,优化的结果可以预见,例如各种夹层结构。夹层结构尤其是三维点阵结构一般结构较为复杂,具有两大难点:一是生成方法较为复杂,二是传统制造方法难以制造。3D打印作为一种新型制造技术可以完美解决第二个难点制造困难的

2、问题,而本文将对第一个难点寻求解决方法。本文提出了一种基于Voronoi图的轻量化夹层结构生成方法,并对其性能进行了研究,研究对象包括利用二维Voronoi图生成的不规则蜂窝结构以及利用三维Voronoi图生成的不规则泡沫结构。主要研究内容及成果如下:(1)提出了不规则Voronoi图以及对应实体模型的生成算法,并定义了其不规则度、相对密度、网格疏密度等参数。(2)利用有限元仿真方法研究了上述不同参数对于结构弹性性能的影响,结果显示不规则度越大,弹性模量先增大后减小;相对密度越大,网格越多,弹性模量越大。(3)用正交实验法研究了不同打印参数对于3D打印件力学性能的影响,并据此选择较为合适的参数制造了上述两种轻量化结构实体,分别进行拉压实验。结果表明:实验结果与仿真结果基本吻合。(4)将两种结构应用于某款小型无人机机翼前后梁的设计上,并分别对其进行力学仿真,比较优化前与优化后的性能,以验证结构的可用性。结果显示优化后机翼最大应力有所增加但是在许用范围内,最大位移略微增加,且低阶固有频率有所增加,而且在模型简化的前提下,质量分别减轻了 19.67%和16.24%,证明结构具有一定应用价值。